2º ano


2º ano do Ensino Médio

Termodinâmica: A máquina térmica

O que é termodinâmica?

Termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e energia.

Os primeiros indícios da termodinâmica na história

A Revolução Industrial só foi possível graças às máquinas térmicas, principalmente às movidas a vapor. Voltando um pouco mais ao passado, na época da Grécia antiga, já havia incidências das máquinas térmicas. A turbina de Heron é um bom exemplo, pois consistia de uma espécie de panela com dois tubos tangenciais para a saída de vapor. À medida que o líquido localizado dentro dessa panela evaporava, o vapor a fazia girar, fornecendo energia mecânica a partir de uma energia térmica. Ou seja, temos aí uma transformação de energia. Entretanto, o experimento de Heron não tinha nenhuma aplicação prática na época devido ao excesso de mão de obra escrava.

Assista o vídeo abaixo:

http://youtu.be/DbAP13n6_3M

As máquinas térmicas são máquinas capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor e uma fonte fria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado.
A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.
O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:

- Locomotiva a vapor: aproximadamente 10%
- Motores de automóveis: aproximadamente 20%;
- Motores a diesel: aproximadamente 30%;
- Grandes turbinas a gás: aproximadamente 40%.

Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, em forma de calor para o Universo, processo chamado de Entropia.
No século XVIII, embora haja universidades e academias nos grandes centros, mais uma vez é por motivos práticos que a Física se desenvolve. A revolução industrial marca nova fase da Física. As áreas de estudos se especializam e a ligação com o modo de produção torna-se cada vez mais estreita. Estuda as relações entre calor e trabalho. Baseia-se em dois princípios: o da conservação de energia e o de entropia. Estes princípios são a base de máquinas a vapor, turbinas, motores de combustão interna, motores a jato e máquinas frigoríficas. A partir de uma máquina concebida para retirar a água que inundava as minas de carvão, o inglês Thomas Newcomen cria em 1698 a máquina a vapor, mais tarde aperfeiçoada pelo escocês James Watt. É em torno do desempenho dessas máquinas que o engenheiro francês Sadi Carnot estabelece uma das mais importantes sistematizações da termodinâmica, delimitando a transformação de energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho). Termodinâmica 1761: o inglês Joseph Black cria a calorimetria, o estudo quantitativo do calor.
Aplicação:
- Utilizado para retirar água das minas de carvão
- Primeiro automóvel
- Primeira locomotiva
- Primeiro barco
- Primeiro avião

Infinita busca pela energia infinita

A física diz que é impossível, mas inventores ainda não desistiram de criar o moto-contínuo: um sistema que produz energia perpétua por meio do próprio movimento. Conheça a saga desses excêntricos projetos.
A solução para os problemas de energia do mundo pode estar na cidade de Imperatriz, no Maranhão. É lá que o empresário Nilson Barbosa e o ex-técnico de eletricidade Cleriston Leal garantem ter criado algo que a humanidade busca há milênios: um moto-contínuo. Quando estiver pronto, dizem os criadores, o sistema será capaz de gerar a própria energia. O nome do projeto revela o tamanho da ambição: Energia Universal.
Caso funcione, será mesmo revolucionário. A partir dele celulares, notebooks, carros e quaisquer aparelhos poderão funcionar sem precisar recarregar. Terão alimentação sem fim. “Pegamos um motor, uma roda e um gerador”, diz Nilson, um dos criadores, também conhecido como Nilson Ampére. “Com esse equipamento e mais um nobreak, resolvemos o problema. ” Autodidata, confessa não entender muito de física. “Eu e meu sócio estudamos só até o segundo grau. Meu aprendizado foi no ramo. ” Mesmo sem conhecimento teórico, ele se mostra confiante. Teme que espiões roubem sua ideia. Até hoje, o invento foi exibido apenas uma vez, em 2012, numa demonstração pública na cidade. Está, afirma o criador, em fase final. 
Funcione ou não, a dupla brasileira não está sozinha. Encontrar a fonte de energia eterna é um dos capítulos mais peculiares — e fracassados até agora — da história da ciência. Para os estudiosos, o moto-contínuo seria impossível, já que violaria pelo menos uma das duas primeiras leis da termodinâmica, bases da física moderna. 
A primeira lei diz que energia não pode ser criada, apenas transformada. “Não existe almoço grátis na natureza. A energia precisa ter uma origem. Não vem do nada”, diz o professor Fernando Lang, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). “A segunda lei é mais complicada”, explica Jeferson Arenzon, também professor da universidade. “É uma lei negativa. Pode-se pegar uma certa quantidade de energia e transformar 100% em calor. O que não pode é pegar esse calor e retransformar em energia sem haver perda. ” 
Em outras palavras, um moto-contínuo não funciona porque sempre haverá alguma perda de energia na forma de calor quando o mecanismo está funcionando. A lei formula que é impossível vedar o sistema para protegê-lo dessa transformação da energia. Mesmo nos mecanismos mais eficientes que existem, não se chega perto de 100% de aproveitamento.
O primeiro dispositivo de movimento perpétuo documentado foi descrito pelo autor indiano Bhaskara no século 11. Era uma roda com recipientes de mercúrio ao longo da borda. Enquanto a roda girava, o mercúrio deveria se mover dentro dos recipientes de forma que a roda sempre estaria mais pesada de um lado do eixo, mas nós podemos estar certos de que a roda de Bhaskara diminuía de velocidade e parava.
Essa ideia aparece novamente na Europa no ano 1235 quando o arquiteto francês Villard de Honnecort descreveu uma roda desequilibrada com martelos articulados igualmente espaçados ao longo de sua borda.
A descrição de Honnecort (traduzida) é:
Há muito tempo trabalhadores habilidosos tentam projetar uma roda que giraria sozinha; aqui está um modo de construir uma, através de um número ímpar de martelos, ou por mercúrio.
Enquanto a roda girava, cada martelo se deslocava para uma nova posição depois que passava pelo topo da roda. Pensava-se que essa transferência de massa (ou talvez o impulso devido ao movimento rápido) deveria dar a força que manteria o movimento da roda e forneceria energia motriz extra para outros fins. Honnecort afirmou que este dispositivo seria útil para cortar madeira e levantar pesos. Mas não era.
O diagrama de Honnecort não é muito claro, e não podemos estar certos de que princípio ele pensava que deveria fazê-la funcionar. Tinha sete martelos, e Honnecort insistiu em um número ímpar de martelos. Teria ele suposto que quando a roda girava sempre haveria um martelo a mais em um lado que no outro? Teria suposto que cada martelo daria um impulso quando caía? Mas quer o número de martelos seja par ou ímpar, tal tipo de roda logo deve parar de girar.
A referência de Honnecort indica que ele conhecia o dispositivo de Bhaskara, cujo desenho alcançou a Europa.
Esta ideia de "roda desequilibrada" reapareceu em uma variedade impressionante de formas ao longo dos séculos. Nós mostramos, ao lado, um diagrama melhor de época posterior. Um sistema de cavilhas era requerido para manter os martelos à maior distância do eixo depois que eles se deslocavam no topo e permitia que pendessem livres quando vinham ao outro lado. Talvez o raciocínio fosse de que as bolas tivessem mais momento (ou inércia) em um lado devido aos braços maiores (ainda que os princípios do torque ainda não tivessem sido formalizados na época). Ainda que haja menos bolas em um lado do eixo em uma dada posição, estas têm braços maiores e portanto, torque maior. Enquanto um martelo se desloca no topo da roda, ela diminui de velocidade quando o martelo cai, e então ganha alguma velocidade quando ele atinge a cavilha.
Não há nenhum ganho total de velocidade, e há energia irreversivelmente perdida quando o martelo atinge a cavilha. Se receber algum impulso, a roda gira aos solavancos por algum tempo. Se receber um empurrão inicial bem forte, os martelos assumirão posição radial e a roda girará de forma muito mais suave e eficiente, mas gradualmente perderá velocidade e energia rotacional por causa da resistência do ar e fricção dos rolamentos, assim como qualquer outra roda faria.
Veja os vídeos dos links abaixo:





Questões (copie as questões e responda no caderno): 

1. Se historicamente na Grécia Antiga o engenheiro Heron já conhecia a relação de movimento com calor, então porque somente no século XVIII na Inglaterra aperfeiçoam-se as máquina térmicas?
2. O que foi a Primeira Revolução Industrial? Qual sua relação com a termodinâmica?
3. O que é Entropia?
4. Por que nenhuma máquina térmica não atinge 100% de rendimento?
5. Um engenheiro anuncia para a mídia a descoberta de uma máquina térmica que retira 1000 joules de uma fonte de calor e realiza 1200 joules de trabalho útil (movimento), qual o rendimento dessa máquina térmica? Qual foi a fraude?
6. Se o rendimento de um automóvel hoje é em torno de 20%, qual é o valor que a Entropia recebe quando abastecemos o tanque de combustível com R$100,00 ?
7. O que é um motocontínuo?



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Lista de exercícios com gabarito (Revisão)


1. Quantas calorias são transmitidas por 1 m2 de um cobertor de 2,5 cm de espessura, durante uma hora, estando a pele a 33 °C e o ambiente a 0 °C? O coeficiente de condutibilidade térmica do cobertor é 0,00008 cal/s.m.°C.
Q = 380,16 cal
2. Um vidro plano, com coeficiente de condutibilidade térmica 0,00183 cal/s.cm.°C, tem uma área de 1.000 cm2 e espessura de 3,66 mm. Sendo o fluxo de calor por condução através do vidro de 2.000 cal/s, calcule a diferença de temperatura entre suas faces.
400ºC
3. Uma das extremidades de uma barra de cobre, com 100 cm de comprimento e 5 cm2 de seção transversal, está situada num banho de vapor d’água sob pressão normal, e a outra extremidade, numa mistura de gelo fundente e água. Despreze as perdas de calor pela superfície lateral da barra. Sendo 0,92 cal/s.cm.°C o coeficiente de condutibilidade térmica do cobre, determine o fluxo de calor através da barra.
4,6 cal/s
4. Uma casa tem 5 janelas, tendo cada uma vidro de área 1,5 m2 e espessura 3 x 10-3 m. A temperatura externa é – 5 °C e a interna é mantida a 20 °C, através da queima de carvão. Qual a massa de carvão consumida no período de 12 h para repor o calor perdido apenas pelas janelas?
Dados: condutividade térmica do vidro = 0,72 cal/h.m°C e calor de combustão do carvão = 6 x 103cal/g
Q = 540000cal    m = 90 g
5. O fluxo de calor através de uma placa de madeira com 50mm de espessura, cujas temperaturas das superfícies interna e externa são de 40oC e 20oC, respectivamente, foi determinado e é igual a 40W/m2 . Qual a condutividade térmica da madeira?
1 J/s.m.ºC
6. A câmara de um freezer é um espaço cúbico com 2m de lado. Considere o fundo como sendo perfeitamente isolado. Qual a espessura mínima de um isolamento a base de espuma de poliestireno (k=0,030W/mK) que deve ser aplicado nas paredes do topo e dos lados para garantir que a carga térmica que entra no freezer seja inferior a 500W, quando a suas superfícies interna e externa se encontram a -10o C e 35oC, respectivamente.
L = 0,054 m ou 54 mm
7. Assinale a alternativa correta:
a) a condução e a convecção térmica só ocorrem no vácuo;
b) no vácuo a única forma de transmissão do calor é por condução;
c) a convecção térmica só ocorre nos fluidos, ou seja, não se verifica no vácuo nem em materiais no estado sólido;
d) a irradiação é um processo de transmissão do calor que só se verifica em meios materiais;
e) a condução térmica só ocorre no vácuo; no entanto, a convecção térmica se verifica inclusive em materiais no estado sólido.
8. Por que os iglus, embora feitos de gelo, possibilitam aos esquimós residir neles?
O gelo é isolante térmico ou seja, valor de baixa condutibilidade térmica (K)
9. Uma residência no Canadá recebe através de aquecimento elétrico um fluxo de calor em torno de 400 joules por segundo (watt).
Obtenha o gasto energético durante 24 horas. 24 x 3600 x 400 = 35.460.000 joules
Obtenha as perdas diárias representadas pelas Flechas (fluxo de calor) no desenho ao lado.
Chão = 15% de 35.460.000 joules
Telhado = 25% de 35.460.000 joules
Frinchas ou brechas = 15% de 35.460.000 joules
Paredes  (valor máximo) = 35% de 35.460.000 joules
Janelas = (valor mínimo) = 10% de 35.460.000 joules
Apresente soluções para a residência diminuir as “perdas” energéticas. 
Janelas com vidros duplos contendo vácuo ou ar seco entre eles;
Paredes com forração em lã, isopor, madeira;
Piso com carpetes, tacos de madeira;
Telhado com papel laminado reflexivo para dentro da residência;
Vedação de entre vãos debaixo das portas, janelas e forros.




Atividade 2 
(para o dia 24/fevereiro)

Dilatometria no cotidiano

Em 11 de junho de 1996, véspera do Dia dos Namorados, as centenas de pessoas que circulavam pelo Osasco Plaza Shopping, na Grande São Paulo, viveu um dia de horror, que comoveu todo o País. O gás que passava na tubulação abaixo do piso da praça de alimentação vazou e, pelo contato com alguma faísca, fez voar parte do prédio. A explosão matou 42 pessoas e feriu 372.
Semanas antes da explosão, clientes e funcionários reclamavam do forte odor de gás de cozinha que havia na praça de alimentação. A administração do shopping chegou a chamar técnicos da distribuidora, na época a Ultragás, para averiguar se havia vazamento na rede. Entretanto, mesmo após duas visitas, nada foi constatado. A administradora resolveu então chamar técnicos da concorrente Liquigás, mas nada encontraram também. 
A principal causa apontada para a explosão foi a falta de ventilação no porão onde se encontrava a tubulação de gás. Porém, durante a perícia, foram constados outros erros, dentre eles o fato de o local da instalação de gás não ter sido o previsto no projeto e o uso de roscas, tubulações e vedações inadequadas. 
A administradora do shopping e a construtora entraram numa batalha judicial, relegando a culpa entre elas. Em 1999 foram condenados por negligência o diretor comercial do shopping, Marcelo Marinho Zanotto e os engenheiros Antônio das Graças Fernandes, Rubens Molinari, Edson Pope e Flávio Camargo. Em 2005, quase 10 anos após o acontecido, o Tribunal de Justiça de São Paulo absolveu os quatro engenheiros. 
A reforma foi estimada em cinco milhões e muitos comerciantes perderam tudo. A administradora do shopping afirmou ter pagado cerca de R$ 25 milhões em indenizações, tendo ressarcido os danos de todos os acidentados, mesmo assumindo a postura de culpar a distribuidora Ultragás pela tragédia. 
Ao sofrer uma variação de temperatura, todas as dimensões de um corpo se alteram, microscopicamente a dilatação térmica explica-se pela modificação dos espaços intermoleculares. Quando a temperatura aumenta, cresce a agitação molecular: a consequência imediata é o aumento da distância média entre as moléculas, o que se traduz, macroscopicamente, por um aumento nas dimensões do corpo. Raciocínio análogo pode ser feito para explicar a diminuição das dimensões do corpo quando sua temperatura diminui.
Para o comprimento de uma barra, trilhos, tubos, fios, qualquer distância entre dois pontos considerada falamos em dilatação térmica linear e para isso devemos deixar juntas próprias para não causar danos materiais e vitimas como ocorreu na tubulação de gás no shopping de Osasco.
Modelos de juntas de dilatação térmica linear para tubulações

Questões (copiar e responder no caderno)

1. Qual foi a causa do acidente no Shopping Osasco em 1996 e como poderia ser evitado?
2. Uma tubulação de 5000 metros pode sofrer variação de temperatura de até 50º C no subsolo. Determine o comprimento final de cada tubulação feita dos metais da tabela abaixo.
3. Explique o funcionamento do radiador nos veículos e a utilização da mangueira sanfonada em destaque na cor azul da foto abaixo.


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Atividade 1

Criogenia humana
A técnica de manter cadáveres congelados anos a fio para ressuscitá-los um dia é chamada de criogenia humana. Hoje, isso já dá certo com embriões: óvulos fecundados podem ficar na "geladeira" com chances boas de sobreviver a um descongelamento - estima-se que perto de 60% deles conseguem vingar, dando origem a um bebê. Por isso, um bocado de gente acredita que isso ainda vai funcionar com seres humanos inteiros. Até agora, cerca de 111 pessoas já foram congeladas depois da morte e esperam por vida nova no futuro.
A ideia é fantástica: você morre e os médicos o colocam num tanque de nitrogênio líquido, guardado próximo a 73 Kelvin, temperatura em que o cadáver não apodrece. Aí, daqui a uns 500 anos, os cientistas descobrem um jeito de combater a doença que causou sua morte e o degelam. Uma beleza, né? Mas o processo não é tão simples. "Os próprios métodos usados para congelar uma pessoa causam danos às células que só poderiam ser reparados por tecnologias que ainda não existem", afirma o físico americano Robert Ettinger, considerado o grande divulgador da criogenia. Por enquanto, o congelamento não funciona com pessoas porque o líquido que compõe as células vira gelo, aumentando de tamanho e fazendo-as trincar. Com os embriões congelados, esse efeito é evitado com a aplicação de substâncias químicas que driblam a formação de cristais de gelo, impedindo que as paredes celulares se danifiquem. "Mas com os seres humanos desenvolvidos o problema é que cada tipo de célula exige uma substância protetora diferente, e muitas delas ainda não foram inventadas", diz o ginecologista Ricardo Baruffi, da Maternidade Sinhá Junqueira, em Ribeirão Preto (SP), um especialista em congelamento de embriões. Quer tentar a sorte mesmo assim? Então é melhor se mudar para os Estados Unidos, porque as duas únicas empresas no mundo com estrutura para receber novos "pacientes" ficam lá. E, se você quiser levar um bichinho de estimação para não se sentir muito sozinho daqui a 500 anos, sem problemas. Dez gatos, sete cachorros e até um papagaio já entraram nessa fria com seus donos.

Assista o vídeo sobre criogenia no link abaixo:

Questões de reflexão

Após ler o texto e assistir o vídeo responda as questões abaixo (copiar e responder no caderno).

1) A criogenia ocorre, segundo o texto, na temperatura próxima de 73 kelvin. Determine esta temperatura na escala celsius e na escala fahrenheit.
2) Por que, segundo o texto, ainda não é possível realizar com sucesso a criogenia nos seres humanos?
3) Por que, segundo o vídeo, as pessoas são congeladas e armazenadas de cabeça para baixo?

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